Background Nuclear factor erythroid-2 related factor 2 (NRF2) is a redox-sensitive transcription factor that positively regulates the expression of genes encoding antioxidants, xenobiotic detoxification enzymes, and drug efflux pumps, and confers cytoprotection against oxidative stress and xenobiotics in normal cells. Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) negatively regulates NRF2 activity by targeting it to proteasomal degradation. Increased expression of cellular antioxidants and xenobiotic detoxification enzymes has been implicated in resistance of tumor cells against chemotherapeutic drugs. Methods and Findings Here we report a systematic analysis of the KEAP1 genomic locus in lung cancer patients and cell lines that revealed deletion, insertion, and missense mutations in functionally important domains of KEAP1 and a very high percentage of loss of heterozygosity at 19p13.2, suggesting that biallelic inactivation of KEAP1 in lung cancer is a common event. Sequencing of KEAP1 in 12 cell lines and 54 non-small-cell lung cancer (NSCLC) samples revealed somatic mutations in KEAP1 in a total of six cell lines and ten tumors at a frequency of 50% and 19%, respectively. All the mutations were within highly conserved amino acid residues located in the Kelch or intervening region domain of the KEAP1 protein, suggesting that these mutations would likely abolish KEAP1 repressor activity. Evaluation of loss of heterozygosity at 19p13.2 revealed allelic losses in 61% of the NSCLC cell lines and 41% of the tumor samples. Decreased KEAP1 activity in cancer cells induced greater nuclear accumulation of NRF2, causing enhanced transcriptional induction of antioxidants, xenobiotic metabolism enzymes, and drug efflux pumps. Conclusions This is the first study to our knowledge to demonstrate that biallelic inactivation of KEAP1 is a frequent genetic alteration in NSCLC. Loss of KEAP1 function leading to constitutive activation of NRF2-mediated gene expression in cancer suggests that tumor cells manipulate the NRF2 pathway for their survival against chemotherapeutic agents.

Host genetic factors that regulate innate immunity determine susceptibility to sepsis. Disruption of nuclear factor-erythroid 2–related factor 2 (Nrf2), a basic leucine zipper transcription factor that regulates redox balance and stress response, dramatically increased the mortality of mice in response to endotoxin- and cecal ligation and puncture–induced septic shock. LPS as well as TNF-α stimulus resulted in greater lung inflammation in Nrf2-deficient mice. Temporal analysis of pulmonary global gene expression after LPS challenge revealed augmented expression of large numbers of proinflammatory genes associated with the innate immune response at as early as 30 minutes in lungs of Nrf2-deficient mice, indicating severe immune dysregulation. The expression profile indicated that Nrf2 has a global influence on both MyD88-dependent and -independent signaling. Nrf2-deficient mouse embryonic fibroblasts showed greater activation of NF-κB and interferon regulatory factor 3 in response to LPS and polyinosinic-polycytidylic acid [poly(I:C)] stimulus, corroborating the effect of Nrf2 on MyD88-dependent and -independent signaling. Nrf2’s regulation of cellular glutathione and other antioxidants is critical for optimal NF-κB activation in response to LPS and TNF-α. Our study reveals Nrf2 as a novel modifier gene of sepsis that determines survival by mounting an appropriate innate immune response.

Although inflammation and protease/antiprotease imbalance have been postulated to be critical in cigarette smoke–induced (CS-induced) emphysema, oxidative stress has been suspected to play an important role in chronic obstructive pulmonary diseases. Susceptibility of the lung to oxidative injury, such as that originating from inhalation of CS, depends largely on its upregulation of antioxidant systems. Nuclear factor, erythroid-derived 2, like 2 (Nrf2) is a redox-sensitive basic leucine zipper protein transcription factor that is involved in the regulation of many detoxification and antioxidant genes. Disruption of the Nrf2 gene in mice led to earlier-onset and more extensive CS-induced emphysema than was found in wild-type littermates. Emphysema in Nrf2-deficient mice exposed to CS for 6 months was associated with more pronounced bronchoalveolar inflammation; with enhanced alveolar expression of 8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine, a marker of oxidative stress; and with an increased number of apoptotic alveolar septal cells — predominantly endothelial and type II epithelial cells — as compared with wild-type mice. Microarray analysis identified the expression of nearly 50 Nrf2-dependent antioxidant and cytoprotective genes in the lung that may work in concert to counteract CS-induced oxidative stress and inflammation. The responsiveness of the Nrf2 pathway may act as a major determinant of susceptibility to tobacco smoke–induced emphysema by upregulating antioxidant defenses and decreasing lung inflammation and alveolar cell apoptosis.

Although inflammation and protease/antiprotease imbalance have been postulated to be critical in cigarette smoke–induced (CS-induced) emphysema, oxidative stress has been suspected to play an important role in chronic obstructive pulmonary diseases. Susceptibility of the lung to oxidative injury, such as that originating from inhalation of CS, depends largely on its upregulation of antioxidant systems. Nuclear factor, erythroid-derived 2, like 2 (Nrf2) is a redox-sensitive basic leucine zipper protein transcription factor that is involved in the regulation of many detoxification and antioxidant genes. Disruption of the Nrf2 gene in mice led to earlier-onset and more extensive CS-induced emphysema than was found in wild-type littermates. Emphysema in Nrf2-deficient mice exposed to CS for 6 months was associated with more pronounced bronchoalveolar inflammation; with enhanced alveolar expression of 8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine, a marker of oxidative stress; and with an increased number of apoptotic alveolar septal cells — predominantly endothelial and type II epithelial cells — as compared with wild-type mice. Microarray analysis identified the expression of nearly 50 Nrf2-dependent antioxidant and cytoprotective genes in the lung that may work in concert to counteract CS-induced oxidative stress and inflammation. The responsiveness of the Nrf2 pathway may act as a major determinant of susceptibility to tobacco smoke–induced emphysema by upregulating antioxidant defenses and decreasing lung inflammation and alveolar cell apoptosis.

The Nrf2 (nuclear factor E2 p45-related factor 2) transcription factor responds to diverse oxidative and electrophilic environmental stresses by circumventing repression by Keap1, translocating to the nucleus, and activating cytoprotective genes. Nrf2 responses provide protection against chemical carcinogenesis, chronic inflammation, neurodegeneration, emphysema, asthma and sepsis in murine models. Nrf2 regulates the expression of a plethora of genes that detoxify oxidants and electrophiles and repair or remove damaged macromolecules, such as through proteasomal processing. However, many direct targets of Nrf2 remain undefined. Here, mouse embryonic fibroblasts (MEF) with either constitutive nuclear accumulation (Keap1(-/-)) or depletion (Nrf2(-/-)) of Nrf2 were utilized to perform chromatin-immunoprecipitation with parallel sequencing (ChIP-Seq) and global transcription profiling. This unique Nrf2 ChIP-Seq dataset is highly enriched for Nrf2-binding motifs. Integrating ChIP-Seq and microarray analyses, we identified 645 basal and 654 inducible direct targets of Nrf2, with 244 genes at the intersection. Modulated pathways in stress response and cell proliferation distinguish the inducible and basal programs. Results were confirmed in an in vivo stress model of cigarette smoke-exposed mice. This study reveals global circuitry of the Nrf2 stress response emphasizing Nrf2 as a central node in cell survival response.

Oxidative stress has been postulated to play an important role in the pathogenesis of asthma; although a defect in antioxidant responses has been speculated to exacerbate asthma severity, this has been difficult to demonstrate with certainty. Nuclear erythroid 2 p45-related factor 2 (Nrf2) is a redox-sensitive basic leucine zipper transcription factor that is involved in the transcriptional regulation of many antioxidant genes. We show that disruption of the Nrf2 gene leads to severe allergen-driven airway inflammation and hyperresponsiveness in mice. Enhanced asthmatic response as a result of ovalbumin sensitization and challenge in Nrf2-disrupted mice was associated with more pronounced mucus cell hyperplasia and infiltration of eosinophils into the lungs than seen in wild-type littermates. Nrf2 disruption resulted in an increased expression of the T helper type 2 cytokines interleukin (IL)-4 and IL-13 in bronchoalveolar lavage fluid and in splenocytes after allergen challenge. The enhanced severity of the asthmatic response from disruption of the Nrf2 pathway was a result of a lowered antioxidant status of the lungs caused by lower basal expression, as well as marked attenuation, of the transcriptional induction of multiple antioxidant genes. Our studies suggest that the responsiveness of Nrf2-directed antioxidant pathways may act as a major determinant of susceptibility to allergen-mediated asthma.

Nuclear factor-erythroid 2 p45-related factor 2 (Nrf2) is the primary transcription factor protecting cells from oxidative stress by regulating cytoprotective genes, including the antioxidant glutathione (GSH) pathway. GSH maintains cellular redox status and affects redox signaling, cell proliferation, and death. GSH homeostasis is regulated by de novo synthesis as well as GSH redox state; previous studies have demonstrated that Nrf2 regulates GSH homeostasis by affecting de novo synthesis. We report that Nrf2 modulates the GSH redox state by regulating glutathione reductase (GSR). In response to oxidants, lungs and embryonic fibroblasts (MEFs) from Nrf2-deficient (Nrf2(-/-)) mice showed lower levels of GSR mRNA, protein, and enzyme activity relative to wild type (Nrf2(+/+)). Nrf2(-/-) MEFs exhibited greater accumulation of glutathione disulfide and cytotoxicity compared to Nrf2(+/+) MEFs in response to t-butylhydroquinone, which was rescued by restoring GSR. Microinjection of glutathione disulfide induced greater apoptosis in Nrf2(-/-) MEFs compared to Nrf2(+/+) MEFs. In silico promoter analysis of the GSR gene revealed three putative antioxidant-response elements (ARE1, -44; ARE2, -813; ARE3, -1041). Reporter analysis, site-directed mutagenesis, and chromatin immunoprecipitation assays demonstrated binding of Nrf2 to two AREs distal to the transcription start site. Overall, Nrf2 is critical for maintaining the GSH redox state via transcriptional regulation of GSR and protecting cells against oxidative stress.

Loss of function mutations in Kelch-like ECH Associated Protein 1 (KEAP1), or gain-of-function mutations in nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (NRF2), are common in non-small cell lung cancer (NSCLC) and associated with therapeutic resistance. To discover novel NRF2 inhibitors for targeted therapy, we conducted a quantitative high-throughput screen using a diverse set of ∼400 000 small molecules (Molecular Libraries Small Molecule Repository Library, MLSMR) at the National Center for Advancing Translational Sciences. We identified ML385 as a probe molecule that binds to NRF2 and inhibits its downstream target gene expression. Specifically, ML385 binds to Neh1, the Cap 'N' Collar Basic Leucine Zipper (CNC-bZIP) domain of NRF2, and interferes with the binding of the V-Maf Avian Musculoaponeurotic Fibrosarcoma Oncogene Homologue G (MAFG)-NRF2 protein complex to regulatory DNA binding sequences. In clonogenic assays, when used in combination with platinum-based drugs, doxorubicin or taxol, ML385 substantially enhances cytotoxicity in NSCLC cells, as compared to single agents. ML385 shows specificity and selectivity for NSCLC cells with KEAP1 mutation, leading to gain of NRF2 function. In preclinical models of NSCLC with gain of NRF2 function, ML385 in combination with carboplatin showed significant antitumor activity. We demonstrate the discovery and validation of ML385 as a novel and specific NRF2 inhibitor and conclude that targeting NRF2 may represent a promising strategy for the treatment of advanced NSCLC.

Abstract Purpose: To understand the role of nuclear factor erythroid-2–related factor 2 (Nrf2) and Kelch-like ECH-associated protein 1 (Keap1) in non–small cell lung cancer (NSCLC), we studied their expression in a large series of tumors with annotated clinicopathologic data, including response to platinum-based adjuvant chemotherapy. Experimental Design: We determined the immunohistochemical expression of nuclear Nrf2 and cytoplasmic Keap1 in 304 NSCLCs and its association with patients' clinicopathologic characteristics, and in 89 tumors from patients who received neoadjuvant (n = 26) or adjuvant platinum-based chemotherapy (n = 63). We evaluated NFE2L2 and KEAP1 mutations in 31 tumor specimens. Results: We detected nuclear Nrf2 expression in 26% of NSCLCs; it was significantly more common in squamous cell carcinomas (38%) than in adenocarcinomas (18%; P < 0.0001). Low or absent Keap1 expression was detected in 56% of NSCLCs; it was significantly more common in adenocarcinomas (62%) than in squamous cell carcinomas (46%; P = 0.0057). In NSCLC, mutations of NFE2L2 and KEAP1 were very uncommon (2 of 29 and 1 of 31 cases, respectively). In multivariate analysis, Nrf2 expression was associated with worse overall survival [P = 0.0139; hazard ratio (HR), 1.75] in NSCLC patients, and low or absent Keap1 expression was associated with worse overall survival (P = 0.0181; HR, 2.09) in squamous cell carcinoma. In univariate analysis, nuclear Nrf2 expression was associated with worse recurrence-free survival in squamous cell carcinoma patients who received adjuvant treatment (P = 0.0410; HR, 3.37). Conclusions: Increased expression of Nrf2 and decreased expression of Keap1 are common abnormalities in NSCLC and are associated with a poor outcome. Nuclear expression of Nrf2 in malignant lung cancer cells may play a role in resistance to platinum-based treatment in squamous cell carcinoma. Clin Cancer Res; 16(14); 3743–53. ©2010 AACR.